EP2797167A1 - Circuit d'alimentation distribuee pour reseau de formation de faisceaux d'antenne - Google Patents

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EP2797167A1
EP2797167A1 EP20140165478 EP14165478A EP2797167A1 EP 2797167 A1 EP2797167 A1 EP 2797167A1 EP 20140165478 EP20140165478 EP 20140165478 EP 14165478 A EP14165478 A EP 14165478A EP 2797167 A1 EP2797167 A1 EP 2797167A1
Authority
EP
European Patent Office
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optical
supply circuit
circuit
power supply
distributed power
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Granted
Application number
EP20140165478
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German (de)
English (en)
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EP2797167B1 (fr
Inventor
Gérard Caille
Michel Sotom
Miguel Angel Piqueras Ruiperez
Teresa Mengual Chulia
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DAS PHOTONICS SL
Thales SA
Original Assignee
Das Photonics SL
Thales SA
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/2938—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device for multiplexing or demultiplexing, i.e. combining or separating wavelengths, e.g. 1xN, NxM
    • G02B6/29386—Interleaving or deinterleaving, i.e. separating or mixing subsets of optical signals, e.g. combining even and odd channels into a single optical signal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2676—Optically controlled phased array

Definitions

  • the invention relates to the field of antenna beam forming networks for antennal networks. More specifically, it relates to a distributed power supply circuit for a beam forming network.
  • the field of the invention is that of antennal networks, in particular for satellite antennas.
  • Satellite antenna networks have the ability to generate multiple antenna beams in different viewing directions.
  • Such multi-beam antennas are used on board a satellite for telecommunication applications in different frequency bands, for example the Ka band for multimedia applications, Ku or C bands for point-to-point communication links or even L or S bands for mobile satellite communications.
  • Antenna networks have the advantage of allowing a reconfiguration of different beams, including their number and pointing direction.
  • a multi-beam antenna needs to be coupled to a beamforming network responsible for routing the appropriate feed signal to the different antenna elements of the antenna array in order to configure the antenna beams generated by the antenna array. each of said elements.
  • the field of the invention is therefore also that of antenna beam forming networks.
  • One subdomain relates to matrix beamforming networks known as Butler matrices.
  • a Butler matrix is a passive microwave device composed of hybrid couplers and phase shifters. Such a device is known in the field of antennal networks and is notably described in the publication " Jesse Butler, Ralph Lowe, Beam-Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas, Electronic Design, Volume 9, pp. 170-173, April 12, 1961 ". It makes it possible to obtain, for a microwave signal produced on one of its inputs, an equi-amplitude distribution of this signal on all the outputs, with a regular phase increment between each consecutive output.
  • the microwave signal injected on each input of the array is radiated by the antenna array in a direction and in a directional antenna beam. predetermined. All the antenna beams thus generated via the different radiating elements are regularly spaced and orthogonal. The orthogonality property of the beams is important to obtain a good isolation of the different channels between them.
  • An advantage of the Butler matrix is that it requires a minimum number of couplers, of the order of N. (log 2 N) / 2 instead of 2N (N-1), for a conventional beam forming network. , with N the number of outputs of the matrix equal to the number of antenna beams to be generated.
  • Butler matrices are generally used for microwave signals or more generally for electrical signals in the microwave frequency range.
  • the technology conventionally used to make a Butler matrix is waveguide technology which has the disadvantage of a large footprint. Indeed, for embedded applications, a problem to be solved concerns the miniaturization of such devices because the compactness of an antenna device is an important advantage especially when the number of antenna elements, and therefore indirectly the number of outputs of the matrix of Butler, increases.
  • a known solution for solving the congestion problem of Butler matrices made in waveguide technology is to convert the electrical signal to a microwave frequency in an optical signal so as to be able to realize the Butler matrix consisting of an arrangement of couplers and delay lines implemented by a photonic integrated circuit (PIC). Since the wavelength of an optical signal is in nature substantially smaller than that of an electric signal at a microwave frequency, the compactness of the device is thus improved.
  • PIC photonic integrated circuit
  • the architectures proposed are based on heterodyne optical systems that require very precise control of the optical phase and the implementation of complex phase control loops.
  • a problem of this type of architecture concerns the accuracy of the phase shifters necessary to produce a Butler matrix.
  • a Butler matrix is traditionally composed of hybrid couplers but also of phase shifters.
  • the arrangement of these couplers and phase shifters makes it possible to perform the desired matrix transfer function, which must be unitary or at least orthogonal, in particular to configure the phases of the output signals of the matrix.
  • the required phase shifts are multiples of PI / 8 or 22.5 °.
  • a phase shifter is in practice realized by a delay line.
  • the wavelength directly related to the phase shift to be printed
  • the wavelength is very small, typically of the order of a few nanometers.
  • phase shifts there is a problem concerning the accuracy of the realization of the delay lines to implement the desired phase shifts with the required accuracy.
  • the accuracy of the phase shifts is important because it is directly related to the isolation of the output channels of the matrix between them. If the phase shifts are not implemented in a sufficiently precise way, this has an impact on the transfer function of the matrix which is then no longer unitary.
  • the present invention provides an answer to the aforementioned problem by providing a distributed power supply circuit with a small footprint, since it can be implemented in PIC technology, adapted to receive an optical carrier modulated electrical signal.
  • the invention has the main advantage of allowing a configuration of the lengths of the delay lines at the microwave frequency scale of the electrical signal, which greatly facilitates the implementation of precise phase shifts that must include such a circuit.
  • the distributed power supply circuit according to the invention makes it possible, when used in an antenna beam forming network, to generate a multiple antenna beam in pointing directions whose angular spacing is adjustable.
  • the subject of the invention is a distributed feed circuit for an antenna beam forming network comprising a plurality N of inputs and a plurality N of outputs, said circuit being adapted to receive, on at least one input, a signal at a microwave frequency modulated on at least one optical carrier, said circuit comprising at least one set of at least two optical dividers, at least one delay line of length substantially equal to an entire fraction of the wavelength said signal at its microwave frequency and two means for combining two optical signals, said set being arranged and the delay lines being configured so that the theoretical transfer function of said circuit is an orthogonal matrix.
  • a delay line is connected at a first end to a first output of an optical splitter.
  • an optical divider is connected, by its input, to an input of said circuit.
  • a means for combining two optical signals is connected, by its output, to an output of said circuit.
  • said set comprises two delay lines which are of length substantially equal to one quarter of the wavelength of said signal at its microwave frequency.
  • said set comprises a delay line of length substantially equal to half the wavelength of said signal at its microwave frequency
  • the number N of inputs and outputs is a power of two.
  • a second output of an optical divider is connected to a first input of a means for combining two optical signals and a delay line is connected at a second end. at a second input of a means for combining two optical signals.
  • said circuit comprises a number of sets equal to the binary logarithm of the number N of inputs and outputs multiplied by half said number N.
  • an output of a means for combining two optical signals of a first set is connected to an input of an optical divider of a second set, directly or via an additional delay line of zero length or substantially equal to half the length of a non-zero delay line, of one of said sets, said length being configured so that the theoretical transfer function of said circuit is an orthogonal matrix.
  • the assembly formed by means for combining two optical signals and an optical divider, connected in series, is replaced by an optical coupler, the said additional delay line being connected. at a first end to an output of an optical coupler.
  • a means for combining two optical signals is a 3 dB optical combiner.
  • a means for combining two optical signals is a multiplexer of at least two optical wavelengths and the theoretical transfer function of said circuit is a unitary matrix.
  • an optical coupler is replaced by a first interleaver of optical wavelengths and a means, connected to an output of said circuit, for combining two optical signals is a second interleaver optical wavelengths, an interleaver of optical wavelengths being adapted to receive on an input a plurality of optical wavelengths and to deliver them alternately on one or the other of its outputs in a period of given interleaving, the interleaving period of a second interleaver being equal to twice the interleaving period of a first interleaver.
  • said circuit is an optical integrated circuit or a circuit realized by means of optical fibers.
  • the invention also relates to an antenna beam forming network comprising means for modulating at least one electrical signal at a microwave frequency on an optical carrier, a distributed power supply circuit according to the invention for receiving said at least one optical carrier optical signal and means for converting said optical carrier electrical signal to an electrical signal for supplying at least one antenna element of an antenna array.
  • said means for modulating an optical carrier electrical signal are adapted to modulate the electrical signals intended to be injected on the inputs of said distributed power supply circuit. optical carriers of different wavelengths.
  • the invention also relates to a use of a distributed power supply circuit according to the invention or an antenna beam forming network according to the invention of injecting, on the inputs of said distributed power supply circuit. a plurality of optical carrier electrical signals in an increasing arrangement of the optical wavelength values of said signals or in an arrangement alternating the odd and even values of the optical wavelengths of said signals.
  • the invention also relates to a receiver comprising a plurality of antenna elements delivering an electrical signal, means for modulating said electrical signal at a microwave frequency on an optical carrier, a distributed power supply circuit according to the invention for receiving said optical carrier optical signal and means for converting said optical carrier electrical signal into an electrical signal.
  • the invention also relates to a multi-port amplification device comprising means for modulating at least one electrical signal at a microwave frequency on an optical carrier, a first distributed supply circuit according to the invention for receiving said optical carrier optical signal, means for converting said optical carrier electrical signal into an electrical signal and a second power supply circuit distributed arranged to receive the electrical output signal of the conversion means.
  • the figure 1 represents, in a diagram, an example of a first embodiment of a distributed power supply circuit according to the invention.
  • the example relates to a circuit with two inputs and two outputs, but can be extended, as is explained later, to a circuit with N inputs and N outputs, with N an integer equal to a power of two.
  • the distributed supply circuit is equivalent to a coupler, for example a hybrid coupler.
  • the feed circuit 100 of the figure 1 is composed of a set of two optical dividers DI1, DI2, two optical combiners CO1, CO2 and two LR1, LR2 delay lines.
  • An input of an optical divider DI1, DI2 is connected to an input 11,12 of the power supply circuit 100.
  • An output of an optical combiner CO1, CO2 is connected to an output 01,02 of the power supply circuit 100.
  • a delay line LR1, LR2 is connected at a first end to an output of an optical splitter DI1, DI2 and at a second end to an input of an optical combiner CO1, CO2.
  • the second output of an optical divider DI1 is connected to the second input of the optical combiner CO1 whose first input is connected to the other optical divider DI2 via the delay line LR2.
  • the two delay lines LR1, LR2 have a length equal to one quarter of the wavelength of the signal at the microwave frequency.
  • the length of the delay lines LR1, LR2 is configured to obtain a phase shift of PI / 2 or 90 ° in the field frequency of the electrical signal, that is to say in the field of microwave frequencies. In this way, it is easier to obtain the required accuracy on the phase shift because the wavelength in the microwave frequency range is of the order of ten millimeters whereas it is only the order of the micrometer in the field of optical frequencies.
  • the optical dividers DI1, DI2 and the optical combiners CO1, CO2 are optical coupling devices which are able to divide a signal into power or to combine two signals to obtain a double power signal.
  • the output signals of an optical divider DI1, DI2 are in phase.
  • the amplitude loss factor p is equal to one in the case where the optical combiners CO1, CO2 are made by devices that do not induce amplitude loss on the output signal. This is the case in particular with the multiplexers of different frequency sub-bands, as will be explained later.
  • the theoretical transfer function of the supply circuit 100 is an orthogonal matrix, that is to say that it verifies the relation V O1 .V O2 * V O2.
  • V O1 * 0, where VO1 and VO2 are the column vectors (in the example of the figure 1 these vectors comprise only two terms) composed of the values of the complex amplitudes of the two output signals of the supply circuit 100.
  • the operator * is the transconjugated operator.
  • V * is a line matrix composed of the conjugate complex numbers of the values of the vector V.
  • the transfer function of the supply circuit 100 is an orthogonal matrix is an essential property because it makes it possible to obtain a perfect isolation of the output channels of the circuit relative to one another and a regular spacing of the beams generated by the antenna powered by this device. If the matrix is not unitary, the losses result in the fact that a large part of the power of the input signal is reflected.
  • the supply circuit 100 thus makes it possible to obtain the required phase shift of plus or minus PI / 2 between the two outputs of the circuit. It is not possible to obtain such a phase shift, calculated at the microwave frequency, with a simple optical coupler because it only makes it possible to print phase shifts made at the optical frequency scale, which are much higher than the microwave frequencies.
  • the power supply circuit 100 according to the invention is advantageously produced by an optical integrated circuit or PIC circuit (photonic integrated circuit) and is generally implemented by means of integrated optical technology.
  • An advantage of this technology is the miniaturization of the realized device.
  • the power supply circuit 100 according to the invention can also be made of optical fibers.
  • the circuit 100 described in figure 1 can be generalized to a distributed supply circuit comprising N inputs and N outputs, with N an integer equal to a power of two.
  • the figure 2 discloses a power supply circuit 200 with four inputs I1, I2, I3, I4 and four outputs 01, 02, 03, 04.
  • Circuit 200 of the figure 2 comprises four sets 201,202,203,204 of two dividers, two combiners and two delay lines arranged in the same way as for the circuit 100 of the figure 1 with two inputs and two outputs.
  • the four sets 201,202,203,204 are connected to each other as follows.
  • the output of a CO combiner 1.1 of the first set 201 is connected to the input of a divider DI 3.1 of the third set 203 via a delay line LR5 of length equal to one eighth of the length waveform of the signal at the microwave frequency.
  • the output of a CO combiner 2.2 of the second set 202 is connected to the input of a divider DI 4.2 of the fourth set 204 via a delay line LR6 of length equal to one eighth of the length waveform of the signal at the microwave frequency.
  • the output of a CO combiner 1.2 of the first set 201 is connected directly to the input of a divider DI 4.1 of the fourth set.
  • the output of a CO 2.1 combiner from the second set 202 is connected directly to the input of a divider DI 3.2 of the third set.
  • p is the amplitude loss factor previously introduced.
  • the signals obtained on the four outputs 01, 02, 03, 04 have a power equal and are regularly out of phase with each other by a constant multiple phase shift of PI / 4.
  • the circuit represented at figure 2 may be generalized to any N-input and N-output power supply circuit, N being a power of 2, increasing the number of sets 201,202,203,204 to a number equal to (N / 2) log2 (N) and interconnecting them between them by means of lines to delay of length equal to a multiple of the wavelength of the signal at a microwave frequency divided by 2N.
  • the figure 3 represents a diagram of an alternative embodiment of the power supply circuit 200 of the figure 2 .
  • the assembly formed by a combiner and a divider connected in series is replaced by a coupler with two inputs and two outputs.
  • the assembly formed of the CO combiner 1.2 and the divider DI 4.1 connected in series is replaced by a single coupler CP 1.2 .
  • the assembly formed of the CO 2,1 combiner and the divider DI 3,2 connected in series is replaced by a single CP 2.1 coupler.
  • the assembly formed of the CO combiner 1.1 and the divider DI 3.1 connected in series via a delay line LR 5 is replaced by a single coupler CP 1.1 whose two outputs are connected to two lines delay LR 5.1 and LR 5.2 of the same length equal to one-eighth of the wavelength of the signal at the microwave frequency.
  • the assembly formed of the CO 2.2 combiner and the divider DI 4.2 connected in series via a delay line LR 6 is replaced by a single CP coupler 2.2 whose two outputs are connected to two lines LR 6.1 and LR 6.2 with the same length equal to one eighth of the wavelength of the signal at the microwave frequency.
  • the CP 1.1 , CP 1.2 , CP 2.1 and CP 2.2 couplers used are optical couplers which introduce no significant phase-shift at the microwave frequency domain level between the two signals. delivered by their respective two exits.
  • Two LR 5.2 , LR 3.2 series delay lines may be replaced by a single delay line of length equal to the sum of the lengths of the two lines.
  • Another advantage of this variant embodiment is that the suppression of the CO 1,1 CO 1,2 CO 2,1 CO 2,2 combiners makes it possible to avoid loss of power when the input signals of the combiners are not coherent in phase.
  • the figure 4 represents a diagram of a power supply circuit 400 with eight inputs and eight outputs according to the invention.
  • circuit 400 described in figure 4 is derived from circuit 300 described in figure 3 doubling the number of entries and exits.
  • the circuit 400 comprises eight optical dividers, each connected to an input I1, ..., I8 of the circuit 400 and eight optical combiners, each connected to an output O1, .. O8 of the circuit 400.
  • the circuit 400 further comprises two stages eight optical couplers with double input and double output.
  • ⁇ RF is the wavelength of the signal at the microwave frequency.
  • the set of circuit 400 components is arranged so that the theoretical transfer function T of the circuit is the orthogonal matrix represented in FIG. figure 4bis , where p is the amplitude loss factor.
  • phase increment The value of the phase increment depends on the input I1, ..., I8 activated.
  • the figure 4 represents an example of a distributed supply circuit with eight inputs and eight outputs according to the invention.
  • the dual-input and dual-output couplers are used, as shown for the example of the figure 3 to reduce the number of components needed. Without departing from the scope of the invention, they can be replaced, as explained for the example of the figure 2 , by a set consisting of an optical combiner and an optical splitter connected in series.
  • the invention can be extended to any distributed power supply circuit comprising a number N of inputs and outputs, N being a power of two, and whose transfer function is an orthogonal or unitary matrix when the
  • the assembly consisting of an optical combiner and an optical splitter connected in series can be replaced by a double-input and double-output optical coupler as illustrated in FIGS. Figures 3 and 4 .
  • the figure 5 represents another variant embodiment of the feed circuit of the figure 4 .
  • the optical combiners forming the last stage of components of the supply circuit according to the invention may have losses due to the fact that the signals they receive at the input are not coherent in phase. In other words, an optical combiner can not perform a coherent recombination of two signals if they are not coherent in phase.
  • each optical combiner with an optical frequency multiplexer or more generally with a frequency-selective means for combining two signals on two different optical carriers.
  • such means may take the form of an optical interleaver or "wavelength interleaver "in English, a Mach-Zehnder interferometer or any equivalent device capable of multiplexing several optical frequencies.
  • the signals produced on the different inputs I1, ... I8 of the circuit 500 according to the invention are modulated on different optical carriers.
  • ⁇ 1, ... ⁇ 8 the wavelengths associated with the optical carrier frequencies of each of the eight input signals of the circuit 500, it is possible to make different associations between the optical carrier frequencies and the inputs of the circuit.
  • a possible choice consists in assigning the optical carrier frequencies to the inputs I1, ... I8 in the increasing order of their value.
  • the following table shows the assignment of the optical carriers to the different inputs: I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ 4 ⁇ 5 ⁇ 6 ⁇ 7 ⁇ 8
  • the signals obtained on each output O1, ... O8 of the circuit 500 will result from the combination of a low optical frequency and a high optical frequency.
  • Another possible choice is to interleave the optical carriers before assigning them to the various inputs I1,... I8 of the circuit 500.
  • the following table illustrates the assignment of the optical carriers to the different inputs for this second choice: I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 ⁇ 1 ⁇ 3 ⁇ 5 ⁇ 7 ⁇ 2 ⁇ 4 ⁇ 6 ⁇ 8
  • the signals obtained on each output O1, ... O8 of the circuit 500 will come from the combination of two adjacent optical frequencies.
  • each multiplexer receives on its upper input a signal carried by an optical wavelength ⁇ 1 to ⁇ 4, and on its lower input a signal carried by a optical wavelength ⁇ 5 to ⁇ 8.
  • the eight multiplexers M1,... M8 can therefore be identical multiplexers of two adjacent subbands, also called 'diplexers'.
  • the eight multiplexers M1,... M8 may be multiplexers with periodic transfer function, known by the name "wavelengths interleaver" or wavelength interleaver .
  • Such a device can be made as a discrete component or be implanted on the same PIC optical circuit as the circuit according to the invention.
  • the figure 5bis illustrates the principle of operation of a wavelength interleaver multiplexer 501.
  • a diagram of the output spectrum of the eight multiplexers M1, ... M8 is shown.
  • This spectrum comprises two sets of interleaved 510,520 optical carriers.
  • the first set 510 corresponds to the odd wavelengths and the second set 520 corresponds to the even wavelengths.
  • the coupler 90 ° of the figure 1 may be replaced by any other device performing the function of a coupler and whose transfer function is orthogonal or unitary (when the combiners used are lossless).
  • Such a device can be made in the same way as that presented to the figure 1 unlike the ready that the two delay lines LR1, LR2 have a different length.
  • the first delay line LR1 has a length equal to half the wavelength of the signal at the microwave frequency.
  • the second delay line LR2 at zero length, that is, this second delay line can be deleted.
  • the matrix T ' 4 is the theoretical transfer function of a supply circuit according to the invention with 4 inputs and 4 outputs composed of 4 basic hybrid couplers whose theoretical transfer functions are equal to T'.
  • the schematic diagram of a theoretical transfer function distributed supply circuit equal to T ' 4 is identical to the diagram of FIG. figure 2 with the differences ready that the four sets 201,202,203,204 consist of 180 ° hybrid couplers according to the second variant of the invention, one of the two additional delay lines LR5, LR6 is of length equal to a quarter of the wavelength of the signal at the microwave frequency (otherwise said at half the length of a 180 ° hybrid coupler delay line) and the other LR5 delay line, LR6 is zero length.
  • the figure 6 represents a diagram of an antenna beam forming network 600 comprising a distributed power supply circuit 601 according to the invention.
  • the antenna beam forming network 600 described in FIG. figure 6 is adapted to supply eight antenna elements 632, 622 and includes a distributed power supply circuit 601 according to the invention with eight inputs and eight outputs.
  • Each input I1,... I8 is connected to an optical modulator 612, 622, for example a Mach-Zehnder modulator, which receives on an input an electrical or microwave signal 610, 620 previously possibly amplified by means of an amplifier 611, 621.
  • the second input of each optical modulator 612, 622 is connected to an optical carrier generator 602 capable of generating at least one carrier optical wavelength ⁇ 1.
  • the generator 602 is able to generate as many optical carriers as inputs of the distributed supply circuit 601.
  • the generator 602 may be able to implement a wavelength multiplexing technique or "wavelength multiplexing division "in English in order to generate, in the example of the figure 6 , eight carriers with eight wavelengths ⁇ 1, ... ⁇ 8.
  • Each optical carrier thus modulates the microwave signal produced on one of the inputs of the circuit 601.
  • the signal obtained on each of the outputs O1, ... O8 of the circuit 601 is then demodulated by means of an optical detector 630, 640, for example a photodetector, able to convert the optical signal into an electrical signal which is then optionally amplified. through amplifiers 631,641 before being routed to the radiating elements 632,642 of the antennal network to be powered.
  • an optical detector 630, 640 for example a photodetector
  • the figure 7 illustrates the antenna radiation pattern obtained for an antenna beam forming network of the type of figure 6 .
  • the digit (ranging from 0 to 8) indicates the multiplier coefficient of ⁇ / 8 corresponding to the phase shift between two adjacent outputs of the device.
  • the letter (L or R) gives the orientation (left or right) of the beam.
  • the two base coupler variants according to the invention make it possible to design two complementary beam forming networks.
  • the figure 8 schematizes another alternative embodiment of the distributed supply circuit according to the invention with four inputs and four outputs described above in support of the figure 3 .
  • optical couplers CP 1.1 , CP 1.2 , CP 2.1 , CP 2.2 are replaced by a first series of optical interleavers INT 1.1 , INT 1.2 , INT 2, 1 , INT 2,2 , and optical combiners CO 3,1 , CO 3,2 CO 4,1 CO 4,2 are replaced by a second series of optical interleavers INT 3,1 , INT 3,2 , INT 4 , 1 , INT 4.2 .
  • Optical interleavers are four-port components, two input ports, and two output ports. Their operation is illustrated by diagrams 801 and 802.
  • an optical interleaver INT 1.1 of the first series is configured to route one wavelength out of two to the first output port and the other wavelength to the second output port.
  • This principle is illustrated in the diagram 801, wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 3 , ⁇ 5 , ⁇ 7 , represented in dashed lines are routed to the output port opposite to the input port on which the signal is injected.
  • the wavelengths ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8 represented in full lines are routed to the direct output port with respect to the input port on which the signal is injected.
  • the optical interleavers of the second series operate on the same principle as those of the first series with the difference that the interleaving period is twice that of the first series.
  • the operation is illustrated by the diagram 802.
  • the first four optical wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 4 are routed to the opposite output port and the following four optical wavelengths ⁇ 5 , ⁇ 6 , ⁇ 7 , ⁇ 8 are routed to the direct output port.
  • optical interleavers in place of couplers or combiners makes it possible to avoid possible losses of recombination of the output signals.
  • the overall operation of the distributed supply circuit 800 according to the invention is described on the figure 8 .
  • the routing of the optical wavelengths to the outputs of the circuit 800 is illustrated on the figure 8 .
  • the first two outputs 01, 02 can receive the wavelengths ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 6 , ⁇ 7 .
  • the last two outputs 03, 04 may receive the wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 4 , ⁇ 5 , ⁇ 8 -
  • the circuit according to the invention described in FIG. figure 8 can be generalized, without departing from the scope of the invention, to any circuit with N inputs and N outputs, with N a power of two.
  • the figure 9 represents a diagram of an antenna device 900 operating in reception.
  • Such a device 900 comprises a distributed supply circuit 901 according to the invention and operates according to a principle similar to that described in FIG. figure 6 with the difference that the device of the figure 6 relates to an antennal system operating in transmission.
  • the distributed power supply circuit 901 is identical to the distributed power supply circuit 601 used for the beam forming network described in FIG. figure 6 with the difference that it undergoes a mirror symmetry with respect to the arrangement of the circuit 601 of the figure 6 . In other words, its inputs I1, ... I8 and its outputs O1, ... O8 are reversed.
  • circuit 601 used for the transmitter device of the figure 6 the linear phase laws on the outputs Oi are obtained by supplying the inputs Ij; but the opposite is not true.
  • the linear phase laws must lie on the side of the radiating elements, that is to say on the side of the inputs Ij.
  • the circuit 901 obtained by mirror symmetry from circuit 601 of the figure 6 performs this function because all the couplers that compose it are reciprocal devices. It is fed through the ports Ij with linear phase laws (generated from the axes of the 8 nominal beams of the antenna) and the energy converges respectively to one of the 8 outputs.
  • the arrangement of the circuit 901 corresponds to a use of the circuit 601 of the figure 6 in the opposite direction, in which the signals would propagate from right to left.
  • Each input I1, ... I8 is connected to an optical modulator 912, 922, for example a Mach-Zehnder modulator, which receives on an input an electrical or microwave signal 610, 620 received via an antenna element 932, 942 and possibly amplified by through an amplifier 911,921.
  • the second input of each optical modulator 912, 922 is connected to an optical carrier generator 902 capable of generating at least one optical carrier of wavelength ⁇ 1.
  • the signal obtained on each of the outputs O1,... O8 of the circuit 901 is then demodulated by means of an optical detector 930, 940, for example a photo-detector, capable of converting the optical signal into an electrical signal which is then optionally amplified by through amplifiers 931,941.
  • an optical detector 930, 940 for example a photo-detector, capable of converting the optical signal into an electrical signal which is then optionally amplified by through amplifiers 931,941.
  • the figure 10 schematizes a variant of the beam forming network according to the invention described in FIG. figure 6 .
  • the device 600 * represented at figure 10 is identical to that shown in figure 6 to the following loan differences.
  • Each optical modulator 612, 622 is fed not by continuous optical carriers, but by optical carriers themselves modulated by a frequency, or pulsation, OL of local oscillator microwaves and generated by the generator 602.
  • the optical modulators 612, 622 play then the role of optoelectronic mixers by receiving, on a first input, an electrical signal or microwave 610,620 at a frequency, or pulsation, intermediate ⁇ FI and on a second input the signal Optoelectronics generated by the generator 602.
  • the figure 11 represents a diagram of a multi-port amplification device comprising two distributed power supply circuits according to the invention.
  • a distributed feed circuit of the Butler matrix type, can serve to supply, not an antenna array, but a set of power amplifiers, so as to average the instantaneous power that passes through them.
  • Such a multi-port amplification device 1000 can be designed using a distributed power supply circuit 1001 according to the invention as shown schematically in FIG. figure 11 .
  • the multi-port amplification device 1000 comprises a first distributed supply circuit 1001 according to the invention comprising eight inputs and eight outputs (it being understood that this number can be expanded to other values as already explained in the description).
  • Each input I1,... I8 is connected to an optical modulator 1012, 1022, for example a Mach-Zehnder modulator, which receives on an input an electrical or microwave signal 1010, 1020 previously possibly amplified by means of an amplifier 1011. 1021.
  • the second input of each optical modulator 1012, 1022 is connected to an optical carrier generator 1002 capable of generating at least one optical carrier of wavelength ⁇ 1.
  • the generator 1002 is able to generate as many optical carriers as inputs of the
  • the generator 1002 may be able to implement a wavelength division multiplexing technique in order to generate, in the example of FIG. figure 11 , eight carriers with eight wavelengths ⁇ 1, ... ⁇ 8. Each optical carrier thus modulates the microwave signal produced on one of the inputs of the circuit 1001.
  • the signal obtained on each of the outputs O1,... O8 of the circuit 1001 is then demodulated by means of an optical detector 1030, 1040, for example a photodetector, able to convert the optical signal into an electrical signal which is then possibly amplified by means of amplifiers 1031, 1041 before being routed to the inputs I * 1, ... I * 8 of a second distributed supply circuit 1003 whose transfer function is the inverse M - 1 of that, M, of the first circuit 1001.
  • phase laws generated at the output of the first circuit 1001 are not necessarily 'equidistant linear', but only orthogonal to each other.
  • the total theoretical power gain of the amplification device 1000, measured between an input S1, S8 and a corresponding output S'1, S'8, is equal to the gain provided by the subassembly composed of an optical detector 1030, 1040 concatenated with an amplifier 1031, 1041.
  • This gain is to be weighted by the possible losses occurring in the first and second circuits 1001, 1003 as well as those resulting from any embodiment imperfection resulting in the fact that the transfer functions M and M -1 of the first and second circuits 1001, 1003 are not perfectly inverse.
  • a distributed power supply circuit can be arranged in cascade in order to produce a beamformer adapted to feed a two-dimensional antennal network, for example a planar or shaped network.

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Abstract

Circuit d'alimentation distribuée (100,200,300,400,500) pour réseau de formation de faisceaux d'antenne comprenant une pluralité N d'entrées (11,12) et une pluralité N de sorties (01,02), caractérisé en ce que ledit circuit est adapté pour recevoir, sur au moins une entrée, un signal électrique à une fréquence micro-onde modulé sur au moins une porteuse optique, ledit circuit comprenant au moins un ensemble (201,202,203,204) d'au moins deux diviseurs optiques (DI1,DI2), deux lignes à retard (LR1,LR2) de longueur nulle ou sensiblement égale à une fraction de la longueur d'onde dudit signal à sa fréquence micro-ondes et deux moyens (CO1,CO2,M1,M2) pour combiner deux signaux optiques, ledit ensemble étant agencé et les lignes à retard (LR1,LR2) étant configurées de sorte que la fonction de transfert (T) théorique dudit circuit est une matrice orthogonale.

Description

  • L'invention concerne le domaine des réseaux de formation de faisceau d'antenne pour réseaux antennaires. Elle concerne plus précisément un circuit d'alimentation distribuée pour un réseau de formation de faisceau.
  • Le domaine de l'invention est celui des réseaux antennaires, notamment pour antennes satellites. Les réseaux d'antenne satellite ont la capacité de générer plusieurs faisceaux d'antenne dans différentes directions d'observation. De telles antennes multi-faisceaux sont utilisées à bord d'un satellite pour des applications de télécommunications dans différentes bandes de fréquences, par exemple la bande Ka pour les applications multimédia, les bandes Ku ou C pour les liaisons de communication point à point ou encore les bandes L ou S pour les communications mobiles par satellite. Les réseaux d'antenne ont l'avantage de permettre une reconfiguration des différents faisceaux, notamment de leur nombre et de leur direction de pointage.
  • Pour cela, une antenne multi-faisceaux nécessite d'être couplée à un réseau de formation de faisceaux chargé du routage du signal d'alimentation approprié vers les différents éléments antennaires du réseau d'antenne en vue de configurer les faisceaux d'antennes générés par chacun desdits éléments.
  • Le domaine de l'invention est donc également celui des réseaux de formation de faisceau d'antenne. Un sous-domaine concerne les réseaux de formation de faisceau matriciels connus sous le nom de matrices de Butler. Une matrice de Butler est un dispositif passif hyperfréquences composé de coupleurs hybrides et de déphaseurs. Un tel dispositif est connu du domaine des réseaux antennaires et est notamment décrit dans la publication « Jesse Butler, Ralph Lowe, Beam-Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas, Electronic Design, volume 9, pp. 170-173, April 12, 1961 ». Il permet d'obtenir, pour un signal hyperfréquences produit sur une de ses entrées, une distribution équi-amplitude de ce signal sur l'ensemble des sorties, avec un incrément de phase régulier entre chaque sorties consécutives.
  • Lorsqu'on connecte les ports de sortie d'une matrice de Butler aux éléments rayonnants d'un réseau antennaire, le signal hyperfréquence injecté sur chaque entrée de la matrice est rayonné par le réseau antennaire dans une direction et selon un faisceau d'antenne directif prédéterminés. Tous les faisceaux d'antenne ainsi générés via les différents éléments rayonnants sont régulièrement espacés et orthogonaux. La propriété d'orthogonalité des faisceaux est importante pour obtenir une bonne isolation des différentes voies entre elles.
  • Un avantage de la matrice de Butler est qu'elle nécessite un nombre minimum de coupleurs, de l'ordre de N.(log2N)/2 au lieu de 2N(N-1), pour un réseau de formation de faisceau classique, avec N le nombre de sorties de la matrice égale au nombre de faisceaux d'antennes à générer.
  • Les matrices de Butler sont généralement employées pour des signaux hyperfréquences ou plus généralement des signaux électriques dans la gamme des fréquences micro-ondes. La technologie classiquement utilisée pour réaliser une matrice de Butler est la technologie guide d'onde qui présente l'inconvénient d'un encombrement important. En effet, pour des applications embarquées, un problème à résoudre concerne la miniaturisation de tels dispositifs car la compacité d'un dispositif antennaire est un avantage important surtout lorsque le nombre d'éléments antennaires, et donc indirectement le nombre de sorties de la matrice de Butler, augmente.
  • Une solution connue permettant de résoudre le problème d'encombrement des matrices de Butler réalisées en technologie guide d'onde consiste à convertir le signal électrique à une fréquence micro-ondes en un signal optique de sorte à pouvoir réaliser la matrice de Butler constituée d'un arrangement de coupleurs et de lignes à retard implémentés par un circuit intégré photonique ou PIC (photonic integrated circuit) en anglais. La longueur d'onde d'un signal optique étant par nature sensiblement plus réduite que celle d'un signal électrique à une fréquence micro-ondes, on améliore ainsi la compacité du dispositif.
  • Des solutions d'implémentation de matrices de Butler exploitant la technologie des circuits intégrés photoniques sont décrites notamment dans la publication scientifique « J. T. Gallo, and R. DeSalvo, Experimental Demonstration of Optical Guided-Wave Butler Matrices, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, N°8, August 1997 » ou dans la publication internationale de la demande WO 2003/079101 .
  • Les architectures proposées sont basées sur des systèmes optiques hétérodynes qui requièrent un contrôle très précis de la phase optique et l'implémentation de boucles de contrôle de phase complexes.
  • Un problème de ce type d'architecture concerne la précision des déphaseurs nécessaires pour réaliser une matrice de Butler. En effet, comme indiqué ci-dessus une matrice de Butler est traditionnellement composée de coupleurs hybrides mais également de déphaseurs. L'agencement de ces coupleurs et déphaseurs permet de réaliser la fonction de transfert matricielle désirée, qui doit être unitaire ou au moins orthogonale, pour notamment configurer les phases des signaux de sortie de la matrice. Pour une matrice à 8 entrées et 8 sorties, les déphasages requis sont des multiples de PI/8 ou 22,5°. Un déphaseurest en pratique réalisé par une ligne à retard. Or, dans le domaine optique, la longueur d'onde (directement liée au déphasage à imprimer) est très réduite, typiquement de l'ordre de quelques nanomètres. On voit donc qu'il existe un problème concernant la précision de la réalisation des lignes à retard pour mettre en oeuvre les déphasages souhaités avec l'exactitude requise. La précision des déphasages est importante car elle est directement liée à l'isolation des voies de sortie de la matrice entre elles. Si les déphasages ne sont pas implémentés de façon suffisamment précise, cela a un impact sur la fonction de transfert de la matrice qui n'est alors plus unitaire.
  • Un problème existe donc pour améliorer la précision des déphaseurs d'une matrice de Butler implémentée en technologie PIC.
  • La présente invention apporte une réponse au problème précité en proposant un circuit d'alimentation distribuée à faible encombrement, car réalisable en technologie PIC, adapté pour recevoir un signal électrique modulé sur porteuse optique.
  • L'invention présente l'avantage principal de permettre une configuration des longueurs des lignes à retard à l'échelle des fréquences micro-ondes du signal électrique, ce qui facilite grandement l'implémentation des déphasages précis que doit comporter un tel circuit.
  • Le circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, permet, lorsqu'il est employé dans un réseau de formation de faisceau d'antennes, la génération d'un faisceau d'antennes multiple dans des directions de pointage dont l'espacement angulaire est ajustable.
  • L'invention a pour objet un circuit d'alimentation distribuée pour réseau de formation de faisceaux d'antenne comprenant une pluralité N d'entrées et une pluralité N de sorties, ledit circuit étant adapté pour recevoir, sur au moins une entrée, un signal électrique à une fréquence micro-onde modulé sur au moins une porteuse optique, ledit circuit comprenant au moins un ensemble d'au moins deux diviseurs optiques, au moins une ligne à retard de longueur sensiblement égale à une fraction entière de la longueur d'onde dudit signal à sa fréquence micro-ondes et deux moyens pour combiner deux signaux optiques, ledit ensemble étant agencé et les lignes à retard étant configurées de sorte que la fonction de transfert théorique dudit circuit est une matrice orthogonale.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, une ligne à retard est connectée, à une première extrémité, à une première sortie d'un diviseur optique.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, un diviseur optique est connecté, par son entrée, à une entrée dudit circuit.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, un moyen pour combiner deux signaux optiques est connecté, par sa sortie, à une sortie dudit circuit.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, ledit ensemble comprend deux lignes à retard qui sont de longueur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde dudit signal à sa fréquence micro-ondes.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, ledit ensemble comprend une ligne à retard de longueur sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde dudit signal à sa fréquence micro-ondes
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, le nombre N d'entrées et de sorties est une puissance de deux.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, une seconde sortie d'un diviseur optique est connectée à une première entrée d'un moyen pour combiner deux signaux optiques et une ligne à retard est connectée, à une seconde extrémité, à une seconde entrée d'un moyen pour combiner deux signaux optiques.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, ledit circuit comprend un nombre d'ensembles égal au logarithme binaire du nombre N d'entrées et de sorties que multiplie la moitié dudit nombre N.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, une sortie d'un moyen pour combiner deux signaux optiques d'un premier ensemble est connectée à une entrée d'un diviseur optique d'un second ensemble, directement ou par l'intermédiaire d'une ligne à retard supplémentaire de longueur nulle ou sensiblement égale à la moitié de la longueur d'une ligne à retard, de longueur non nulle, d'un desdits ensemble, ladite longueur étant configurée de sorte que la fonction de transfert théorique dudit circuit est une matrice orthogonale.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, l'ensemble formé par un moyen pour combiner deux signaux optiques et un diviseur optique, connectés en série, est remplacé par un coupleur optique, ladite ligne à retard supplémentaire étant connectée, à une première extrémité, à une sortie d'un coupleur optique.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, un moyen pour combiner deux signaux optiques est un combineur optique à 3 dB.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, un moyen pour combiner deux signaux optiques est un multiplexeur d'au moins deux longueurs d'onde optiques et la fonction de transfert théorique dudit circuit est une matrice unitaire.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, un coupleur optique est remplacé par un premier entrelaceur de longueurs d'ondes optiques et un moyen, relié à une sortie dudit circuit, pour combiner deux signaux optiques est un second entrelaceur de longueurs d'ondes optiques, un entrelaceur de longueurs d'ondes optiques étant apte à recevoir sur une entrée une pluralité de longueurs d'ondes optiques et à les délivrer alternativement sur l'une ou l'autre de ses sorties selon une période d'entrelacement donnée, la période d'entrelacement d'un second entrelaceur étant égale au double de la période d'entrelacement d'un premier entrelaceur.
  • Selon un aspect particulier du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention, ledit circuit est un circuit intégré optique ou un circuit réalisé au moyen de fibres optiques.
  • L'invention a également pour objet un réseau de formation de faisceau d'antenne comprenant des moyens pour moduler au moins un signal électrique à une fréquence micro-ondes sur une porteuse optique, un circuit d'alimentation distribuée selon l'invention pour recevoir ledit au moins un signal électrique sur porteuse optique et des moyens pour convertir ledit signal électrique sur porteuse optique en signal électrique destiné à alimenter au moins un élément antennaire d'un réseau d'antenne.
  • Selon un aspect particulier du réseau de formation de faisceau d'antenne selon l'invention, lesdits moyens pour moduler un signal électrique sur porteuse optique sont adaptés pour moduler les signaux électriques destinés à être injectés sur les entrées dudit circuit d'alimentation distribuée sur des porteuses optiques de longueurs d'onde différentes.
  • L'invention a également pour objet une utilisation d'un circuit d'alimentation distribuée selon l'invention ou d'un réseau de formation de faisceau d'antenne selon l'invention consistant à injecter, sur les entrées dudit circuit d'alimentation distribuée, une pluralité de signaux électriques sur porteuse optique selon un arrangement croissant des valeurs des longueurs d'onde optiques desdits signaux ou selon un arrangement alternant les valeurs paires et impaires des longueurs d'onde optiques desdits signaux.
  • L'invention a également pour objet un récepteur comprenant une pluralité d'éléments antennaires délivrant un signal électrique, des moyens pour moduler ledit signal électrique à une fréquence micro-ondes sur une porteuse optique, un circuit d'alimentation distribuée selon l'invention pour recevoir ledit signal électrique sur porteuse optique et des moyens pour convertir ledit signal électrique sur porteuse optique en signal électrique.
  • L'invention a également pour objet un dispositif d'amplification multi-ports comprenant des moyens pour moduler au moins un signal électrique à une fréquence micro-ondes sur une porteuse optique, un premier circuit d'alimentation distribuée selon l'invention pour recevoir ledit signal électrique sur porteuse optique, des moyens pour convertir ledit signal électrique sur porteuse optique en signal électrique et un second circuit d'alimentation distribuée agencé pour recevoir le signal électrique de sortie des moyens de conversion.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés qui représentent :
    • La figure 1, un schéma d'un coupleur 90° à deux entrées et deux sorties selon l'invention,
    • La figure 2, un schéma d'un circuit d'alimentation distribuée à quatre entrées et quatre sorties selon l'invention,
    • La figure 3, un schéma d'une variante de réalisation du circuit d'alimentation 4x4 de la figure 2,
    • La figure 4, un schéma d'un circuit d'alimentation distribuée à huit entrées et huit sorties selon l'invention,
    • La figure 4bis, la matrice orthogonale correspondant à la fonction de transfert théorique du circuit de la figure 4,
    • La figure 5, un schéma d'une variante de réalisation du circuit d'alimentation 8x8 de la figure 4,
    • La figure 5bis, un schéma illustrant le fonctionnement d'un multiplexeur entrelaceur de longueurs d'ondes employé dans le circuit de la figure 5,
    • La figure 5ter, deux autres exemples de fonctions de transfert matricielles pour la réalisation d'une autre variante du circuit d'alimentation selon l'invention, respectivement pour 4 entrées/sorties et 8 entrées/sorties, à partir d'un coupleur 180°,
    • La figure 6, un schéma d'un réseau de formation de faisceaux selon l'invention,
    • La figure 7, un schéma illustrant les formations de faisceaux d'antenne obtenus avec un réseau de formation de faisceaux selon l'une ou l'autre des variantes de réalisation du coupleur à deux entrées et deux sorties selon l'invention,
    • La figure 8, un schéma d'une variante supplémentaire de réalisation d'un circuit d'alimentation selon l'invention à quatre entrées et quatre sorties,
    • La figure 9, un schéma d'un dispositif antennaire fonctionnant en réception, ledit dispositif comportant un circuit d'alimentation distribuée selon l'invention,
    • La figure 10, une variante du réseau de formation de faisceaux selon l'invention décrit à la figure 6,
    • La figure 11, un schéma d'un dispositif d'amplification multi-ports comprenant deux circuits d'alimentation distribuée selon l'invention,
  • La figure 1 représente, sur un schéma, un exemple d'un premier mode de réalisation d'un circuit d'alimentation distribuée selon l'invention. L'exemple concerne un circuit à deux entrées et deux sorties, mais peut être étendu, comme cela est explicité par la suite, à un circuit à N entrées et N sorties, avec N un nombre entier égal à une puissance de deux. Lorsque le nombre N d'entrées et de sorties est égal à deux comme sur l'exemple de la figure 1, le circuit d'alimentation distribuée est équivalent à un coupleur, par exemple un coupleur hybride.
  • Le circuit d'alimentation 100 de la figure 1 est composé d'un ensemble de deux diviseurs optiques DI1,DI2, deux combineurs optiques CO1,CO2 et deux lignes à retard LR1,LR2. Une entrée d'un diviseur optique DI1,DI2 est connectée à une entrée 11,12 du circuit d'alimentation 100. Une sortie d'un combineur optique CO1,CO2 est connectée à une sortie 01,02 du circuit d'alimentation 100. Une ligne à retard LR1,LR2 est connectée, à une première extrémité, à une sortie d'un diviseur optique DI1,DI2 et à une seconde extrémité, à une entrée d'un combineur optique CO1,CO2. La seconde sortie d'un diviseur optique DI1 est connectée à la seconde entrée du combineur optique CO1 dont la première entrée est reliée à l'autre diviseur optique DI2 via la ligne à retard LR2.
  • Les deux lignes à retard LR1,LR2 ont une longueur égale au quart de la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes. Comme le signal injecté sur les entrées I1,I2 du circuit 100 selon l'invention est un signal électrique sur porteuse optique, la longueur des lignes à retard LR1,LR2 est configurée pour obtenir un déphasage de PI/2 ou 90° dans le domaine fréquentiel du signal électrique, c'est-à-dire dans le domaine des fréquences micro-ondes. De cette façon, il est plus aisé d'obtenir la précision requise sur le déphasage car la longueur d'onde dans le domaine des fréquences micro-ondes est de l'ordre de la dizaine de millimètres alors qu'elle n'est que de l'ordre du micromètre dans le domaine des fréquences optiques.
  • Les diviseurs optiques DI1,DI2 et les combineurs optiques CO1,CO2 sont des dispositifs de couplage optique qui sont aptes à diviser un signal en puissance ou à combiner deux signaux pour obtenir un signal de puissance double. Les signaux de sortie d'un diviseur optique DI1,DI2 sont en phase.
  • L'agencement des diviseurs, combineurs et lignes à retard est réalisé de sorte que la fonction de transfert théorique du circuit d'alimentation 100 selon l'invention est égale à T = 1 p ⁢ 2 ⁢ 1 - j - j 1 ,
    Figure imgb0001
     où j est l'unité imaginaire, c'est-à-dire le nombre complexe dont le carré est égal à -1 et p est un facteur de perte en amplitude, p2 étant le facteur de perte en puissance correspondant.
  • Le facteur de perte en amplitude p est égal à un dans le cas où les combineurs optiques CO1, CO2, sont réalisés par des dispositifs qui n'induisent pas de perte en amplitude sur le signal de sortie. C'est le cas notamment des multiplexeurs de sous-bandes fréquentielles différentes, comme cela sera explicité par la suite.
  • Le facteur de perte p est inférieur à 1 si les combineurs optiques CO1, CO2 sont réalisés par des dispositifs qui induisent des pertes en amplitude sur le signal de sortie. C'est le cas notamment des dispositifs de sommation optique ou sommateurs optiques. En effet un sommateur, ou dispositif de sommation, ne peut être sans perte que pour une relation de phase précise entre les signaux d'entrée, par exemple une différence de phase nulle pour un sommateur dit 'en-phase'. Comme les signaux provenant de chaque entrée sont différents, en pratique décorrélés, cette condition de phase ne peut être respectée, et il est bien connu de l'Homme du métier qu'un sommateur induit une perte en amplitude de 3dB entre l'une quelconque des entrées et sa sortie. La valeur du facteur de perte est égale dans ce cas à 1/√2 et provient du fait que 20log(1/√2) = -3dB.
  • Quelle que soit la valeur du facteur de perte p, la fonction de transfert théorique du circuit d'alimentation 100 selon l'invention est une matrice orthogonale, c'est-à-dire qu'elle vérifie la relation VO1.VO2* VO2.VO1 *=0, où VO1 et VO2 sont les vecteurs colonnes (dans l'exemple de la figure 1, ces vecteurs ne comportent que deux termes) composés des valeurs des amplitudes complexes des deux signaux de sortie du circuit d'alimentation 100. L'opérateur * est l'opérateur transconjugué. V* est une matrice ligne composée des nombres complexes conjugués des valeurs du vecteur V.
  • Dans le cas où le facteur de perte p est égal à 1, autrement dit lorsque le circuit d'alimentation selon l'invention est sans perte, alors sa fonction de transfert théorique est en outre une matrice unitaire, c'est-à-dire qu'elle vérifie la relation suivante T.T* = T*.T=Id, avec Id la matrice identité et T* la matrice transconjuguée encore appelée conjuguée hermitienne de la matrice T. Dans le cas où le facteur de perte est différent de 1, la relation précédente devient T.T* = T*.T =(1/p2).Id, la matrice T est alors uniquement orthogonale.
  • Le fait que la fonction de transfert du circuit d'alimentation 100 est une matrice orthogonale est une propriété essentielle car elle permet d'obtenir une isolation parfaite des voies de sortie du circuit les unes par rapport aux autres et un espacement régulier des faisceaux générés par l'antenne alimentée par ce dispositif. Si la matrice n'est pas unitaire, les pertes se traduisent par le fait qu'une part importante de la puissance du signal d'entrée est réfléchie.
  • Les signaux de sortie du circuit d'alimentation 100 sont ainsi donnés, en notation complexe, par les relations suivantes, en fonction des signaux d'entrée : O ⁢ 1 = 1 / p√ ⁢ 2 ⁢ l ⁢ 1 - j . l ⁢ 2
    Figure imgb0002
     O ⁢ 2 = 1 / p√ ⁢ 2 ⁢ - j . l ⁢ 1 + l ⁢ 2
    Figure imgb0003
  • Autrement dit, lorsqu'un signal est produit sur la première entrée I1, le signal résultant sur la première sortie O1 est en phase avec le signal d'entrée et le signal résultant sur la seconde sortie 02 est déphasé de -PI/2. Lorsqu'un signal est produit sur la seconde entrée I2, le signal résultant sur la seconde sortie 02 est en phase avec le signal d'entrée et le signal résultant sur la première sortie O1 est déphasé de -PI/2.
  • Le circuit d'alimentation 100 selon l'invention permet ainsi d'obtenir le déphasage requis de plus ou moins PI/2 entre les deux sorties du circuit. Il n'est pas possible d'obtenir un tel déphasage, calculé à la fréquence micro-ondes, avec un simple coupleur optique car celui-ci ne permet d'imprimer que des déphasages réalisés à l'échelle des fréquences optiques, qui sont beaucoup plus élevées que les fréquences micro-ondes.
  • Le circuit d'alimentation 100 selon l'invention est avantageusement réalisé par un circuit intégré optique ou circuit PIC (photonic integrated circuit) et est de façon générale mis en oeuvre par le biais d'une technologie d'optique intégrée. Un avantage de cette technologie est la miniaturisation du dispositif réalisé.
  • Alternativement, en particulier si les fréquences micro-ondes sont basses, le circuit d'alimentation 100 selon l'invention peut également être réalisé en fibres optiques.
  • Le circuit 100 décrit à la figure 1 peut être généralisé à un circuit d'alimentation distribuée comprenant N entrées et N sorties, avec N un nombre entier égal à une puissance de deux.
  • La figure 2 décrit un circuit d'alimentation 200 à quatre entrées I1,I2,I3,I4 et quatre sorties 01,02,03,04.
  • Le circuit 200 de la figure 2 comporte quatre ensembles 201,202,203,204 de deux diviseurs, deux combineurs et deux lignes à retard agencés de la même façon que pour le circuit 100 de la figure 1 à deux entrées et deux sorties.
  • Les quatre ensembles 201,202,203,204 sont connectés entre eux de la façon suivante. La sortie d'un combineur CO1,1 du premier ensemble 201 est connectée à l'entrée d'un diviseur DI3,1 du troisième ensemble 203 par le biais d'une ligne à retard LR5 de longueur égale au huitième de la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes. La sortie d'un combineur CO2,2 du deuxième ensemble 202 est connectée à l'entrée d'un diviseur DI4,2 du quatrième ensemble 204 par le biais d'une ligne à retard LR6 de longueur égale au huitième de la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes. La sortie d'un combineur CO1,2 du premier ensemble 201 est connectée directement à l'entrée d'un diviseur DI4,1 du quatrième ensemble. La sortie d'un combineur CO2,1 du deuxième ensemble 202 est connectée directement à l'entrée d'un diviseur DI3,2 du troisième ensemble.
  • Les quatre ensembles 201,202,203,204 sont agencés de sorte que la fonction de transfert du circuit d'alimentation 200 selon l'invention est égale à la matrice orthogonale T = 1 2 ⁢ p ⁢ 1 e - jπ 4 e - jπ 2 e - j ⁢ 3 ⁢ π 4 e - j ⁢ 3 ⁢ π 4 1 e - j ⁢ 5 ⁢ π 4 e - jπ 2 e - jπ 2 e - j ⁢ 5 ⁢ π 4 1 e - j ⁢ 3 ⁢ π 4 + e - j ⁢ 3 ⁢ π 4 e - jπ 2 e - jπ 4 1 . ,
    Figure imgb0004
     où p est le facteur de perte en amplitude précédemment introduit.
  • En fonction de l'entrée I1,I2,I3,I4 activée, c'est-à-dire de l'entrée sur laquelle est injectée un signal, les signaux obtenus sur les quatre sorties 01,02,03,04 ont une puissance égale et sont régulièrement déphasés entre eux d'un déphasage constant multiple de PI/4.
  • Le circuit représenté à la figure 2 peut être généralisé à tout circuit d'alimentation distribuée à N entrées et N sorties, N étant une puissance de 2, en augmentant le nombre d'ensembles 201,202,203,204 à un nombre égal à (N/2)log2(N) et en les interconnectant entre eux au moyen de lignes à retard de longueur égale à un multiple de la longueur d'onde du signal à une fréquence micro-ondes divisé par 2N.
  • La figure 3 représente un schéma d'une variante de réalisation du circuit d'alimentation 200 de la figure 2.
  • Afin d'améliorer encore la compacité du circuit selon l'invention en diminuant le nombre de composants nécessaires, on remplace l'ensemble formé par un combineur et un diviseur montés en série, par un coupleur à deux entrées et deux sorties.
  • Par exemple, l'ensemble formé du combineur CO1,2 et du diviseur DI4,1 connectés en série est remplacé par un unique coupleur CP1,2. De même l'ensemble formé du combineur CO2,1 et du diviseur DI3,2 connectés en série est remplacé par un unique coupleur CP2,1. L'ensemble formé du combineur CO1,1 et du diviseur DI3,1 connectés en série par le biais d'une ligne à retard LR5 est remplacé par un unique coupleur CP1,1 dont les deux sorties sont connectées à deux lignes à retard LR5,1 et LR5,2 de même longueur égale au huitième de la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes. L'ensemble formé du combineur CO2,2 et du diviseur DI4,2 connectés en série par le biais d'une ligne à retard LR6 est remplacé par un unique coupleur CP2,2 dont les deux sorties sont connectées à deux lignes à retard LR6,1 et LR6,2 de même longueur égale au huitième de la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes.
  • Les coupleurs CP1,1, CP1,2, CP2,1, CP2,2 utilisés sont des coupleurs optiques qui n'introduisent aucun déphasage significatif, à l'échelle du domaine des fréquences micro-ondes, entre les deux signaux délivrés par leur deux sorties respectives.
  • Deux lignes à retard LR5,2, LR3,2 montées en série peuvent être remplacées par une seule ligne à retard de longueur égale à la somme des longueurs des deux lignes.
  • Un autre avantage de cette variante de réalisation est que la suppression des combineurs CO1,1 CO1,2 CO2,1 CO2,2 permet d'éviter des pertes en puissance lorsque les signaux d'entrée des combineurs ne sont pas cohérents en phase.
  • La figure 4 représente un schéma d'un circuit d'alimentation 400 à huit entrées et huit sorties selon l'invention.
  • Le circuit 400 décrit à la figure 4 est dérivé du circuit 300 décrit à la figure 3 en doublant le nombre d'entrées et de sorties.
  • Le circuit 400 comprend huit diviseurs optiques, chacun connecté à une entrée I1,..., I8 du circuit 400 et huit combineurs optiques, chacun reliés à une sortie O1,.. O8 du circuit 400. Le circuit 400 comprend en outre deux étages de huit coupleurs optiques à double entrée et double sortie. Les différents composants du circuit 400 sont connectés entre eux, soit directement, soit par le biais de lignes à retard de longueur égale à un multiple de la distance d'=λRF/16 où λRF est la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes. Sur la figure 4 sont indiqués les valeurs précises des longueurs des différentes lignes à retard en multiple de la longueur d'.
  • L'ensemble des composants du circuit 400 est agencé de sorte que la fonction de transfert théorique T du circuit est la matrice orthogonale représentée à la figure 4bis, où p est le facteur de perte en amplitude.
  • Un objectif est que les signaux obtenus en sortie du circuit 400 doivent être déphasés entre eux régulièrement d'un incrément de phase constant égal à un multiple de PI/8. La valeur de l'incrément de phase dépend de l'entrée I1,..., I8 activée.
  • La figure 4 représente un exemple de circuit d'alimentation distribuée à huit entrées et huit sorties selon l'invention. Les coupleurs à double entrée et double sortie sont utilisés, comme indiqué pour l'exemple de la figure 3, pour diminuer le nombre de composants nécessaires. Sans sortir du cadre de l'invention, ils peuvent être remplacés, comme expliqué pour l'exemple de la figure 2, par un ensemble composé d'un combineur optique et d'un diviseur optique connectés en série.
  • Les exemples des figures 1,2,3 et 4 sont donnés à titre illustratif, pour la bonne compréhension de l'invention, mais ne doivent pas être interprétés comme limitant l'objet de l'invention à ces seuls exemples. En particulier, l'invention peut être étendue à tout circuit d'alimentation distribuée comprenant un nombre N d'entrées et de sorties, N étant une puissance de deux, et dont la fonction de transfert est une matrice orthogonale ou unitaire lorsque le facteur de perte est égal à 1. Dans une première variante de réalisation, le circuit d'alimentation selon l'invention est composé d'une pluralité d'ensembles, tels que décrits à la figure 1, interconnectés entre eux directement ou par le biais de lignes à retard de longueur égale à un multiple de la distance d'=λRF/(2N) où λRF est la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes. Dans une deuxième variante de réalisation, l'ensemble composé d'un combineur optique et d'un diviseur optique connectés en série peut être remplacé par un coupleur optique à double entrée et double sortie tel qu'illustré aux figures 3 et 4.
  • La figure 5 représente une autre variante de réalisation du circuit d'alimentation de la figure 4.
  • Les combineurs optiques formant le dernier étage de composants du circuit d'alimentation selon l'invention peuvent présenter des pertes dues au fait que les signaux qu'ils reçoivent en entrée ne sont pas cohérents en phase. Autrement dit, un combineur optique ne peut pas effectuer une recombinaison cohérente de deux signaux s'ils ne sont pas cohérents en phase.
  • Un moyen de résoudre ce problème est de remplacer chaque combineur optique par un multiplexeur de fréquences optiques ou plus généralement par un moyen, sélectif en fréquence, permettant de combiner deux signaux sur deux porteuses optiques différentes. Par un exemple, un tel moyen peut prendre la forme d'un entrelaceur optique ou « wavelength interleaver » en anglais, d'un interféromètre Mach-Zehnder ou de tout dispositif équivalent apte à multiplexer plusieurs fréquences optiques.
  • Les signaux produits sur les différentes entrées I1,...I8 du circuit 500 selon l'invention sont modulés sur des porteuses optiques différentes. En notant λ1,... λ8, les longueurs d'ondes associées aux fréquences porteuses optiques de chacun des huit signaux d'entrée du circuit 500, il est possible d'effectuer différentes associations entre les fréquences porteuses optiques et les entrées du circuit. En prenant comme hypothèse que λ1 > λ2> λ3> λ4> λ5> λ6> λ7> λ8, un choix possible consiste à affecter les fréquences porteuses optiques aux entrées I1,...I8 dans l'ordre croissant de leur valeur. Le tableau suivant illustre l'affectation des porteuses optiques aux différentes entrées :
    I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8
    λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 λ8
  • En prenant ce choix, les signaux obtenus sur chaque sortie O1,...O8 du circuit 500 seront issus de la combinaison d'une fréquence optique basse et d'une fréquence optique élevée.
  • Un autre choix possible consiste à entrelacer les porteuses optiques avant de les affecter aux différentes entrées I1,...I8 du circuit 500. Le tableau suivant illustre l'affectation des porteuses optiques aux différentes entrées pour ce second choix :
    I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8
    λ1 λ3 λ5 λ7 λ2 λ4 λ6 λ8
    En prenant ce second choix, les signaux obtenus sur chaque sortie O1,...O8 du circuit 500 seront issus de la combinaison de deux fréquences optiques adjacentes.
  • D'autres choix sont possibles sur l'ordre d'affectation des longueurs d'onde optiques aux entrées du circuit, mais les deux exemples mentionnés ci-dessus présentent l'avantage de faciliter la réalisation des multiplexeurs placés en sortie du circuit d'alimentation.
  • En effet on observe en suivant le chemin des signaux dans l'exemple de la figure 5 que pour le premier cas d'affectation des porteuses optiques selon un ordre croissant de leurs valeurs, chaque multiplexeur reçoit sur son entrée supérieure un signal porté par une longueur d'onde optique λ1 à λ4, et sur son entrée inférieure un signal porté par une longueur d'onde optique λ5 à λ8. Les huit multiplexeurs M1,...M8 peuvent donc être des multiplexeurs identiques de deux sous-bandes adjacentes, aussi dénommés 'diplexeurs',
  • Pour le second cas d'affectation des porteuses optiques selon un entrelacement préalable, les huit multiplexeurs M1,...M8 peuvent être des multiplexeurs à fonction de transfert périodique, connus sous l'appellation « wavelengths interleaver » ou entrelaceur de longueurs d'onde. Un tel dispositif peut être réalisé en tant que composant discret ou être implanté sur le même circuit optique PIC que le circuit selon l'invention.
  • La figure 5bis illustre le principe de fonctionnement d'un multiplexeur entrelaceur de longueurs d'onde 501. Sur la droite de la figure 5bis est représenté un diagramme du spectre en sortie des huit multiplexeurs M1,...M8. Ce spectre comporte deux jeux de porteuses optiques 510,520 entrelacées. Le premier jeu 510 correspond aux longueurs d'ondes impaires et le second jeu 520 correspond aux longueurs d'ondes paires.
  • Les exemples de réalisation de l'invention décrits ci-dessus à l'appui des figures 1 à 5 sont tous basés sur un circuit d'alimentation selon l'invention à deux entrées et deux sorties, dont une sortie est déphasée par rapport à l'autre sortie de +/- 90° et dont la fonction de transfert est donnée par la matrice T = 1 p ⁢ 2 ⁢ 1 - j - j 1
    Figure imgb0005
     et un exemple d'implémentation est donné à la figure 1. Un tel circuit est nommé par convention coupleur 90°.
  • Sans sortir du cadre de l'invention, le coupleur 90 ° de la figure 1 peut être remplacé par tout autre dispositif réalisant la fonction d'un coupleur et dont la fonction de transfert est orthogonale ou unitaire (lorsque les combineurs utilisés sont sans perte).
  • Par exemple, un autre dispositif de base possible est un coupleur hybride 180° dont la fonction de transfert est donnée par la matrice T ′ =
    Figure imgb0006
     1 p ⁢ 2 ⁢ 1 1 - 1 1 .
    Figure imgb0007
     et qui fournit en sortie deux signaux équi-amplitude qui sont soit en phase, soit en opposition de phase (c'est-à-dire déphasés de 180 °) au lieu d'un déphasage de +/- 90° comme pour le dispostif de la figure 1.
  • Un tel dispositif peut être réalisé de la même façon que celui présenté à la figure 1 à la différence prêt que les deux lignes à retard LR1,LR2 ont une longueur différente. La première ligne à retard LR1 a une longueur égale à la moitié de la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes. La seconde ligne à retard LR2 à une longueur nulle, autrement dit cette seconde ligne à retard peut être supprimée.
  • A partir de cette variante du dispositif de base selon l'invention à deux entrées et deux sorties, il est possible de construire, comme indiqué aux figures 2 à 5, des circuits d'alimentation distribuée selon l'invention ayant un nombre pair d'entrées et de sorties supérieur à deux.
  • Les seules modifications à apporter aux circuits décrits aux figures 2 à 5 sont les longueurs des lignes à retard qui sont configurées de sorte que la fonction de transfert du circuit d'alimentation distribuée obtenu est donnée par les matrices présentées à la figure 5ter.
  • La matrice T'4 est la fonction de transfert théorique d'un circuit d'alimentation selon l'invention à 4 entrées et 4 sorties composé de 4 coupleurs hybrides de base dont les fonctions de transfert théorique sont égales à T'.
  • Le schéma d'un circuit d'alimentation distribuée de fonction de transfert théorique égale à T'4 est identique au schéma de la figure 2 aux différences prêts que les quatre ensembles 201,202,203,204 sont constitués de coupleurs hybrides 180° selon la deuxième variante de l'invention, l'une des deux lignes à retard LR5,LR6 supplémentaire est de longueur égale au quart de la longueur d'onde du signal à la fréquence micro-ondes (autrement dit à la moitié de la longueur d'une ligne à retard du coupleur hybride 180° de base) et l'autre ligne à retard LR5,LR6 supplémentaire est de longueur nulle.
  • On voit donc que la conception, selon l'invention, d'un circuit à 4 entrées et 4 sorties à partir d'un coupleur hybride 180° se fait de façon équivalente à celle du circuit de la figure 2 obtenus à partir d'un coupleur 90°.
  • De même il est également possible de concevoir un circuit d'alimentation distribuée à huit entrées et huit sorties dont la fonction de transfert théorique est la matrice T'8 et qui est conçu à partir de plusieurs coupleurs hybrides 180° sur le même principe que celui décrit aux figures 4 et 5.
  • En observant la matrice T'8, on constate que, pour chaque colonne, un gradient de phase permet de passer d'une ligne à l'autre :
    • 2π/8, 6π8, -6π/8, 2π/8, -4π/8, 4π/8, -8π/8,1
    Les valeurs des déphasages obtenus en sortie du circuit 8x8 sont donc des multiples pairs de π/8 et une alternance de signe est présente entre deux sorties adjacentes.
  • La figure 6 représente un schéma d'un réseau de formation de faisceau d'antennes 600 comprenant un circuit d'alimentation distribuée 601 selon l'invention.
  • A titre illustratif, le réseau de formation de faisceau d'antennes 600 décrit à la figure 6 est adapté pour alimenter huit éléments antennaires 632,642 et comporte un circuit d'alimentation distribuée 601 selon l'invention à huit entrées et huit sorties.
  • Chaque entrée I1,...I8 est connectée à un modulateur optique 612,622, par exemple un modulateur Mach-Zehnder, qui reçoit sur une entrée un signal électrique ou hyperfréquences 610,620 préalablement éventuellement amplifié par le biais d'un amplificateur 611,621. La seconde entrée de chaque modulateur optique 612,622 est connectée à un générateur de porteuses optiques 602 apte à générer au moins une porteuse optique de longueur d'onde λ1. Avantageusement, le générateur 602 est apte à générer autant de porteuses optiques que d'entrées du circuit d'alimentation distribué 601. Par exemple, le générateur 602 peut être apte à mettre en oeuvre une technique de multiplexage de longueur d'onde ou « wavelength division multiplexing » en anglais afin de générer, dans l'exemple de la figure 6, huit porteuses à huit longueurs d'ondes λ1,... λ8. Chaque porteuse optique vient ainsi moduler le signal hyperfréquences produit sur une des entrées du circuit 601.
  • Le signal obtenu sur chacune des sorties O1,...O8 du circuit 601 est ensuite démodulé par le biais d'un détecteur optique 630,640, par exemple un photo-détecteur, apte à convertir le signal optique en signal électrique qui est ensuite éventuellement amplifié par le biais d'amplificateurs 631,641 avant d'être acheminé vers les éléments rayonnants 632,642 du réseau antennaire à alimenter.
  • La figure 7 illustre le diagramme de rayonnement d'antenne obtenu pour un réseau de formation de faisceau d'antennes du type de celui de la figure 6.
  • Sur la figure 7, deux diagrammes sont représentés, le premier, en trait plein, correspond à l'utilisation d'un coupleur de base 90° décrit à la figure 1, le second, en trait pointillé, correspond à l'utilisation d'un coupleur de base 180° tel qu'explicité dans la description ci-dessus
  • A coté de chaque faisceau généré, le chiffre (allant de 0 à 8) indique le coefficient multiplicateur de π/8 correspondant au déphasage entre deux sorties adjacentes du dispositif. La lettre (L ou R) donne l'orientation (gauche ou droite) du faisceau.
  • On voit que les deux variantes de coupleur de base selon l'invention permettent de concevoir deux réseaux de formation de faisceaux complémentaires.
  • La figure 8 schématise une autre variante de réalisation du circuit d'alimentation distribuée selon l'invention à quatre entrées et quatre sorties décrit précédemment à l'appui de la figure 3.
  • Les éléments communs des circuits décrits aux figures 3 et 8 portent les mêmes références.
  • Dans cette nouvelle variante, les coupleurs optiques CP1,1, CP1,2, CP2,1, CP2,2 sont remplacés par une première série d'entrelaceurs optiques INT1,1, INT1,2, INT2,1, INT2,2, et les combineurs optiques CO3,1, CO3,2 CO4,1 CO4,2 sont remplacés par une seconde série d'entrelaceurs optiques INT3,1, INT3,2, INT4,1, INT4,2. Les entrelaceurs optiques sont des composants à quatre ports, deux ports d'entrée et deux ports de sortie. Leur fonctionnement est illustré par les diagrammes 801 et 802.
  • Pour un ensemble de huit longueurs d'ondes optiques λ1,... λ8 régulièrement espacées, un entrelaceur optique INT1,1 de la première série est configuré pour router une longueur d'onde sur deux vers le premier port de sortie et l'autre longueur d'onde vers le second port de sortie. Ce principe est illustré sur le diagramme 801, les longueurs d'onde λ1, λ3, λ5, λ7, représentées en pointillés sont routées vers le port de sortie opposé au port d'entrée sur lequel le signal est injecté. Au contraire les longueurs d'onde λ2, λ4, λ6, λ8, représentés en trait plein sont routées vers le port de sortie direct par rapport au port d'entrée sur lequel le signal est injecté.
  • Les entrelaceurs optiques de la seconde série fonctionnent sur le même principe que ceux de la première série à la différence prèt que la période d'entrelacement est double de celle de la première série. Le fonctionnement est illustré par le diagramme 802. Les quatre premières longueurs d'ondes optique λ1, λ2, λ3, λ4, sont acheminées vers le port de sortie opposé et les quatre longueurs d'ondes optiques suivantes λ5, λ6, λ7, λ8 sont acheminées vers le port de sortie direct.
  • L'utilisation d'entrelaceurs optiques à la place de coupleurs ou de combineurs permet d'éviter les pertes éventuelles de recombinaison des signaux en sortie.
  • Le fonctionnement global du circuit d'alimentation distribuée 800 selon l'invention est décrit sur la figure 8. Sur chaque entrée I1,I2,I3,I4 du circuit 800, un signal électrique modulant deux longueurs d'onde optiques différentes est produit. L'acheminement des longueurs d'ondes optiques jusqu'aux sorties du circuit 800 est illustré sur la figure 8. Les deux premières sorties 01,02 peuvent recevoir les longueurs d'ondes λ2, λ3, λ6, λ7. Les deux dernières sorties 03,04 peuvent recevoir les longueurs d'ondes λ1, λ4, λ5, λ8-Le circuit selon l'invention décrit à la figure 8 peut être généralisé, sans sortir du cadre de l'invention, à tout circuit à N entrées et N sorties, avec N une puissance de deux.
  • La figure 9 représente un schéma d'un dispositif antennaire 900 fonctionnant en réception.
  • Un tel dispositif 900 comporte un circuit d'alimentation distribuée 901 selon l'invention et fonctionne selon un principe similaire à celui décrit à la figure 6 à la différence que le dispositif de la figure 6 concerne un système antennaire fonctionnant en émission.
  • Le circuit d'alimentation distribuée 901 est identique au circuit d'alimentation distribuée 601 utilisé pour le réseau de formation de faisceaux décrit à la figure 6 à la différence prêt qu'il subit une symétrie miroir par rapport à l'agencement du circuit 601 de la figure 6. Autrement dit, ses entrées I1,...I8 et ses sorties O1,...O8 sont inversées.
  • En effet dans le circuit 601 utilisé pour le dispositif émetteur de la figure 6, on obtient les lois de phase linéaires sur les sorties Oi en alimentant les entrées Ij ; mais l'inverse n'est pas vrai. Pour une antenne en réception, telle que décrite à la figure 9, les lois de phase linéaires doivent se trouver du coté des éléments rayonnants, c'est-à-dire du côté des entrées Ij. Le circuit 901 obtenu par symétrie miroir à partir du circuit 601 de la figure 6 remplit cette fonction, car tous les coupleurs qui le composent sont des dispositifs réciproques. On l'alimente par les ports Ij avec des lois de phase linéaires (générées en provenance des axes des 8 faisceaux nominaux de l'antenne) et l'énergie converge respectivement vers l'une des 8 sorties. L'agencement du circuit 901 correspond à une utilisation du circuit 601 de la figure 6 en sens inverse, dans lequel les signaux se propageraient de droite à gauche.
  • Chaque entrée I1,...I8 est connectée à un modulateur optique 912,922, par exemple un modulateur Mach-Zehnder, qui reçoit sur une entrée un signal électrique ou hyperfréquences 610,620 reçu par le biais d'un élément antennaire 932,942 et préalablement éventuellement amplifié par le biais d'un amplificateur 911,921. La seconde entrée de chaque modulateur optique 912,922 est connectée à un générateur de porteuses optiques 902 apte à générer au moins une porteuse optique de longueur d'onde λ1.
  • Le signal obtenu sur chacune des sorties O1,...O8 du circuit 901 est ensuite démodulé par le biais d'un détecteur optique 930,940 par exemple un photo-détecteur, apte à convertir le signal optique en signal électrique qui est ensuite éventuellement amplifié par le biais d'amplificateurs 931,941.
  • La figure 10 schématise une variante du réseau de formation de faisceaux selon l'invention décrit à la figure 6.
  • Le dispositif 600* représenté à la figure 10 est identique à celui représenté à la figure 6 aux différences prêt suivantes.
  • Chaque modulateur optique 612,622 est alimenté non plus par des porteuses optiques continues, mais par des porteuses optiques elles mêmes modulées par une fréquence, ou pulsation, ωOL d'oscillateur local micro-ondes et générées par le générateur 602. Les modulateurs optiques 612,622 jouent alors le rôle de mélangeurs optoélectroniques en recevant, sur une première entrée, un signal électrique ou hyperfréquences 610,620 à une fréquence, ou pulsation, intermédiaire ωFI et sur une seconde entrée le signal optoélectronique généré par le générateur 602. Le principe de mise en oeuvre d'une fonction de mélange optoélectronique par un modulateur optique est en soi connu, par exemple décrit dans la publication « G. K. Gopalakakrishnan et al., A LiNbO3 microwave-optoelectronic mixer with linear performance , IEEE MTT-S Dig, 1993, pp.1055-1058 ».
  • Le dispositif 600* de la figure 10 comporte en outre, pour chaque voie de sortie, un filtre 633,643, du type filtre passe-bande, permettant d'extraire la composante fréquentielle ωRF=ωFI+ωOL du signal de sortie du circuit d'alimentation 601.
  • La figure 11 représente un schéma d'un dispositif d'amplification multi-ports comprenant deux circuits d'alimentation distribuée selon l'invention.
  • Il est connu qu'un circuit d'alimentation distribuée, du type matrice de Butler, peut servir à alimenter, non pas un réseau antennaire, mais un ensemble d'amplificateurs de puissance, de sorte à moyenner la puissance instantanée qui les traverse.
  • Un tel dispositif 1000 d'amplification multi-ports peut être conçu en utilisant un circuit d'alimentation distribuée 1001 selon l'invention comme schématisé à la figure 11.
  • Le dispositif 1000 d'amplification multi-ports comporte un premier circuit d'alimentation distribuée 1001 selon l'invention comprenant huit entrées et huit sorties (étant entendu que ce nombre peut être élargi à d'autres valeurs comme déjà explicité dans la description).
  • Chaque entrée I1,...I8 est connectée à un modulateur optique 1012,1022, par exemple un modulateur Mach-Zehnder, qui reçoit sur une entrée un signal électrique ou hyperfréquences 1010,1020 préalablement éventuellement amplifié par le biais d'un amplificateur 1011,1021. La seconde entrée de chaque modulateur optique 1012,1022 est connectée à un générateur de porteuses optiques 1002 apte à générer au moins une porteuse optique de longueur d'onde λ1. Avantageusement, le générateur 1002 est apte à générer autant de porteuses optiques que d'entrées du circuit d'alimentation distribué 1001. Par exemple, le générateur 1002 peut être apte à mettre en oeuvre une technique de multiplexage de longueur d'onde ou « wavelength division multiplexing » en anglais afin de générer, dans l'exemple de la figure 11, huit porteuses à huit longueurs d'ondes λ1,... λ8. Chaque porteuse optique vient ainsi moduler le signal hyperfréquences produit sur une des entrées du circuit 1001.
  • Le signal obtenu sur chacune des sorties O1,...O8 du circuit 1001 est ensuite démodulé par le biais d'un détecteur optique 1030,1040, par exemple un photo-détecteur, apte à convertir le signal optique en signal électrique qui est ensuite éventuellement amplifié par le biais d'amplificateurs 1031,1041 avant d'être acheminé vers les entrées I*1, ... I*8 d'un second circuit d'alimentation distribuée 1003 dont la fonction de transfert est l'inverse M-1 de celle, M, du premier circuit 1001.
  • Les lois de phase générées en sortie du premier circuit 1001 ne sont pas obligatoirement 'linéaires équidistantes', mais seulement orthogonales entre elles.
  • Le gain total en puissance théorique du dispositif 1000 d'amplification, mesuré entre une entrée S1,S8 et une sortie correspondante S'1,S'8, est égal au gain apporté par le sous-ensemble composé d'un détecteur optique 1030,1040 concaténé avec un amplificateur 1031,1041.
  • Ce gain est à pondérer par les pertes éventuelles survenant dans les premiers et seconds circuits 1001,1003 ainsi que celles provenant de toute imperfection de réalisation ayant pour conséquence le fait que les fonctions de transfert M et M-1 des premier et second circuits 1001,1003 ne sont pas parfaitement inverses.
  • D'autres utilisations d'un circuit d'alimentation distribuée selon l'invention sont possibles. En particulier, plusieurs circuits peuvent être agencés en cascade afin de réaliser un formateur de faisceaux adapté pour alimenter un réseau antennaire à deux dimensions, par exemple un réseau planaire ou conformé.

Claims (20)

  1. Circuit d'alimentation distribuée (100,200,300,400,500) pour réseau de formation de faisceaux d'antenne comprenant une pluralité N d'entrées (I1,I2) et une pluralité N de sorties (01,02), caractérisé en ce que ledit circuit est adapté pour recevoir, sur au moins une entrée, un signal électrique à une fréquence micro-onde modulé sur au moins une porteuse optique, ledit circuit comprenant au moins un ensemble (201,202,203,204) d'au moins deux diviseurs optiques (DI1,DI2), au moins une ligne à retard (LR1,LR2) de longueur sensiblement égale à une fraction entière de la longueur d'onde dudit signal à sa fréquence micro-ondes et deux moyens (CO1,CO2,M1,M2) pour combiner deux signaux optiques, ledit ensemble étant agencé et les lignes à retard (LR1,LR2) étant configurées de sorte que la fonction de transfert (T) théorique dudit circuit est une matrice orthogonale.
  2. Circuit d'alimentation distribuée (100) selon la revendication 1 dans lequel une ligne à retard (LR1,LR2) est connectée, à une première extrémité, à une première sortie d'un diviseur optique.
  3. Circuit d'alimentation distribuée (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel un diviseur optique (DI1,DI2) est connecté, par son entrée, à une entrée (I1,I2) dudit circuit.
  4. Circuit d'alimentation distribuée (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel un moyen (CO1,CO2,M1,M2) pour combiner deux signaux optiques est connecté, par sa sortie, à une sortie (01,02) dudit circuit.
  5. Circuit d'alimentation distribuée (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit ensemble (201,202,203,204) comprend deux lignes à retard (LR1,LR2) qui sont de longueur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde dudit signal à sa fréquence micro-ondes.
  6. Circuit d'alimentation distribuée (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel ledit ensemble (201,202,203,204) comprend une ligne à retard (LR1) de longueur sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde dudit signal à sa fréquence micro-ondes
  7. Circuit d'alimentation distribuée (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le nombre N d'entrées et de sorties est une puissance de deux.
  8. Circuit d'alimentation distribuée (100) selon la revendication 7 dans lequel une seconde sortie d'un diviseur optique (DI1,DI2) est connectée à une première entrée d'un moyen (CO1,CO2,M1,M2) pour combiner deux signaux optiques et une ligne à retard (LR1,LR2) est connectée, à une seconde extrémité, à une seconde entrée d'un moyen (CO1,CO2,M1,M2) pour combiner deux signaux optiques.
  9. Circuit d'alimentation distribuée (100,200,300,400,500) selon la revendication 8 dans lequel ledit circuit comprend un nombre d'ensembles (201,202,203,204) égal au logarithme binaire du nombre N d'entrées et de sorties que multiplie la moitié dudit nombre N.
  10. Circuit d'alimentation distribuée (200) selon la revendication 9 dans lequel une sortie d'un moyen (CO1,2, CO2,1 CO1,1, CO2,2 pour combiner deux signaux optiques d'un premier ensemble (201,202) est connectée à une entrée d'un diviseur optique (DI3,2, DI4,1 ,DI3,1,DI4,2) d'un second ensemble (203,204), directement ou par l'intermédiaire d'une ligne à retard supplémentaire (LR5,LR6) de longueur nulle ou sensiblement égale à la moitié de la longueur d'une ligne à retard (LR1,LR2), de longueur non nulle, d'un desdits ensemble (201,202,203,204), ladite longueur étant configurée de sorte que la fonction de transfert (T) théorique dudit circuit est une matrice orthogonale.
  11. Circuit d'alimentation distribuée (300) selon la revendication 10 dans lequel l'ensemble formé par un moyen (CO1,2, CO2,1 ,CO1,1, CO2,2 pour combiner deux signaux optiques et un diviseur optique (DI3,2, DI4,1 ,DI3,1,DI4,2), connectés en série, est remplacé par un coupleur optique (CP1,1, CP1,2, CP2,1, CP2,2), ladite ligne à retard supplémentaire (LR5,1, LR5,2, LR6,1, LR6,2) étant connectée, à une première extrémité, à une sortie d'un coupleur optique (CP1,1, CP1,2, CP2,1, CP2,2).
  12. Circuit d'alimentation distribuée (100,200,300,400,500) selon l'une des revendications précédentes dans lequel un moyen pour combiner deux signaux optiques est un combineur optique à 3 dB (CO1,CO2).
  13. Circuit d'alimentation distribuée (100,200,300,400,500) selon l'une des revendications 1 à 11 dans lequel un moyen pour combiner deux signaux optiques est un multiplexeur (M1,...,M8) d'au moins deux longueurs d'onde optiques et la fonction de transfert (T) théorique dudit circuit est une matrice unitaire.
  14. Circuit d'alimentation distribuée (800) selon la revendication 11 dans lequel un coupleur optique (CP1,1, CP1,2, CP2,1, CP2,2) est remplacé par un premier entrelaceur de longueurs d'ondes optiques (INT1,1, INT1,2, INT2,1, INT2,2) et un moyen (INT3,1, INT3,2, INT4,1, INT4,2), relié à une sortie (01,02,03,04) dudit circuit (800), pour combiner deux signaux optiques est un second entrelaceur de longueurs d'ondes optiques (INT3,1, INT3,2, INT4,1, INT4,2), un entrelaceur de longueurs d'ondes optiques étant apte à recevoir sur une entrée une pluralité de longueurs d'ondes optiques et à les délivrer alternativement sur l'une ou l'autre de ses sorties selon une période d'entrelacement donnée, la période d'entrelacement d'un second entrelaceur étant égale au double de la période d'entrelacement d'un premier entrelaceur.
  15. Circuit d'alimentation distribuée (100,200,300,400,500,800) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit circuit est un circuit intégré optique ou un circuit réalisé au moyen de fibres optiques.
  16. Réseau de formation de faisceau d'antenne (600) comprenant des moyens (602,612,622) pour moduler au moins un signal électrique à une fréquence micro-ondes sur une porteuse optique, un circuit d'alimentation distribuée (601) selon l'une quelconque des revendications précédentes pour recevoir ledit au moins un signal électrique sur porteuse optique et des moyens (630,640) pour convertir ledit signal électrique sur porteuse optique en signal électrique destiné à alimenter au moins un élément antennaire (632,642) d'un réseau d'antenne.
  17. Réseau de formation de faisceau d'antenne (600) selon la revendication 16 dans lequel lesdits moyens (602,612,622) pour moduler un signal électrique sur porteuse optique sont adaptés pour moduler les signaux électriques destinés à être injectés sur les entrées dudit circuit d'alimentation distribuée (601) sur des porteuses optiques de longueurs d'onde différentes.
  18. Utilisation d'un circuit d'alimentation distribuée (500,601) selon l'une des revendications 1 à 13 ou d'un réseau de formation de faisceau d'antenne (600) selon l'une des revendications 16 ou 17 consistant à injecter, sur les entrées dudit circuit d'alimentation distribuée (500,601), une pluralité de signaux électriques sur porteuse optique selon un arrangement croissant des valeurs des longueurs d'onde optiques desdits signaux ou selon un arrangement alternant les valeurs paires et impaires des longueurs d'onde optiques desdits signaux.
  19. Récepteur (900) comprenant une pluralité d'éléments antennaires (932,942) délivrant un signal électrique (910,920), des moyens (902,912,922) pour moduler ledit signal électrique (910,920) à une fréquence micro-ondes sur une porteuse optique, un circuit d'alimentation distribuée (901) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 pour recevoir ledit signal électrique sur porteuse optique et des moyens (930,940) pour convertir ledit signal électrique sur porteuse optique en signal électrique.
  20. Dispositif d'amplification multi-ports (1000) comprenant des moyens (1002,1012,1022) pour moduler au moins un signal électrique à une fréquence micro-ondes sur une porteuse optique, un premier circuit d'alimentation distribuée (1001) selon l'une des revendications 1 à 15 pour recevoir ledit signal électrique sur porteuse optique, des moyens (1030,1040) pour convertir ledit signal électrique sur porteuse optique en signal électrique et un second circuit d'alimentation distribuée (1003) agencé pour recevoir le signal électrique de sortie des moyens (1030,1040) de conversion.
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